DE3419902A1 - Verfahren zur herstellung von gehaerteten epoxidharzen und haerter hierfuer - Google Patents

Description

Müller, Schupfner & Gauger Karlstraße 5

- Patentanwälte - 2110 Buchholz

T-009 84 DE S/SW (D 75,990-F RAM)

25. Mai 1984

TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION 2000 Westchester Avenue
White Plains,N.Y. 10650

U.S.A.

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON GEHÄRTETEN EPOXIDHARZEN UND HÄRTER HIERFÜR

Müller, Schupfner & Gauger Texaco Development Corp. Patentanwälte T-009 84 DE S/H

(D 75,990)

Verfahren zur Herstellung von gehärteten Epoxidharzen

und Härter hierfür

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von gehärteten Epoxidharzen durch Umsetzung eines Polyepoxids mit einem Härter und ggf. einem Beschleuniger und solche Härter zur Durchführung dieses Verfahrens.

Epoxidharze stellen eine umfangreiche Klasse von PoIymersubstanzen mit einem weiten Bereich von physikalischen Eigenschaften dar. Die Harze sind gekennzeichnet durch Epoxidgruppen, welche durch Umsetzung mit bestimmten Katalysatoren oder Härtern ausgehärtet werden, wobei die gehärteten Epoxidharze mit bestimmten gewünschten Eigenschaften hergestellt werden -. Konventionelle Härter sind beispielsweise Polyamine, Polycarbonsäuren, Anhydride und Lewis-Säuren.

Die US-Patentschriften 3 420 828 und 4 338 408 offenbaren die Synthese von Bis(aminoethyl)äther-Derivaten wie beispielsweise 2-(2-Aminoethoxy-2-ethylaminoJethanoi.

Die Aktivität bekannter Härter läßt zu wünschen übrig. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, geeignete aktive Härter zur Herstellung von gehärteten Epoxidharzen bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man als Härter eine Verbindung der allgemeinen Formel

HOANHCH₂CH₂OCH₂Ch₂NH₂ einsetzt, worin A eine Alkylgruppe mit 2 bis A Kohlenstoffatomen ist.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein solcher Härter für Epoxidharze zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von gehärteten Epoxidharzen. 10

Die erfindungsgemäß hergestellten gehärteten Epoxidharze sind für zahlreiche Anwendungen geeignet, wie beispielweise für dekorative Beschichtungen, Einkapselungen, Kleber, Laminate und Einbettmassen.

Das Epoxid-Basisharz ist ein vicinales Polyepoxid mit durchschnittlich mindestens 1,8 reaktiven 1,2-Epoxygruppen pro Molekül. Diese Polyepoxide können monomer oder polymer, gesättigt oder ungesättigt, aliphatisch, cycloaliphatisch, aromatisch oder heterocyclisch sein, und sie können neben den Epoxidgruppen andere Substituenten, wie zum Beispiel Hydroxylgruppen, Ätherreste oder Halogene an Aromaten enthalten.

Bevorzugte Polyepoxide sind Glycidylether, die durch Epoxidierung der entsprechenden Alkylether oder durch Umsetzung eines molaren Überschusses von Epichlorhydrin mit einer aromatischen Polyhydroxyverbindung, wie zum Beispiel Isopropyliden-bisphenol, einem Novolak, Resorcin oder Derivaten von aromatischen Aminen, in an sich bekannter Weise hergestellt werden. Die Epoxid-Derivate von Methylen- oder Isopropyliden-bisphenolen sind besonders bevorzugt. Das Kondensationsprodukt von Epichlorhydrin mit Bisphenol A ist ganz

3g besonders bevorzugt.

Eine in großem Umfange eingesetzte Klasse von erfindungsgemäß umsetzbaren Polyepoxiden sind die harzartigen Epoxidpolyester, die durch Umsetzung eines Epihalogenhydrine, wie beispielsweise Epichlorhydrin, mit einem Polyhydroxyphenol oder einem Polyhydroxyalkohol hergestellt werden. Geeignete Epoxidharze haben durchschnittlich mindestens 1,8 reaktive 1,2-Epoxidgruppen pro Molekül. Beispiele für geeignete Dihydroxyphenole sind: 4,4'-Isopropyliden-bisphenol, 2,4'-Dihydroxydiphenylethylmethan, 3,3'-Dihydroxydiphenyldiethylmethan, 3,4'-Dihydroxydiphenylmethylpropylmethan, 2,3'-Dihydroxydiphenylethylphenylmethan, 4,4'-Dihydroxydiphenylpropylphenylmethan, 4,4·-Dihydroxydiphenylbutylphenylmethan, 2,2'-Dihydroxydiphenylditolylmethan und 4,4'-Dihydroxydiphenyltolylmethylmethan. Andere Polyhydroxyphenole, die ebenfalls mit einem Epihalogenhydrin zur Herstellung dieser Epoxypolyäther umgesetzt werden können, sind Verbindungen wie Resorcin, Hydrochinon und substituierte Hydrochinone, wie zum Beispiel Methylhydrochinon.

Unter den Polyhydroxyalkoholen, die mit einem Epihalogenhydrin zur Herstellung dieser harzartigen Epoxidpolyether umgesetzt werden können, sind Verbindungen wie Ethylenglykol, Propylenglykole, Butylenglykole, Pentandiole, Bis-(4-hydroxycyclohexyl)dimethy!methan, 1,4-Dimethylolbenzol, Glycerin, 1,2,6-Hexantriol, Trimethylolpropan, Mannit, Sorbit, Erythrit, Pentaerythrit, deren Dimere, Trimere und höhere Polymere, wie zum Beispiel Polyethylenglykole, Polypropylenglykole, Triglycerin, Dipentaerythrit, Polyallylalkohol, Polyhydroxythioether, wie zum Beispiel 2,2'-, 3,3'-Tetrahydroxydipropylsulfid, Mercaptoalkohole wie zum Beispiel Monothioglycerin, Dithioglycerin, partiell veresterte PoIyhydroxyalkohole, wie zum Beispiel Monostearin oder

Pentaerythrit-monoacetat und halogenierte Polyhydroxyalkohole, wie zum Beispiel Monochlorhydrine von Glycerin, Sorbit und Pentaerythrit.

Eine weitere Klasse von polymeren Polyepoxiden, welche mit Amin gehärtet und erfindungsgemäß eingesetzt werden können, sind die Epoxid-Novolak-Harze, die durch Umsetzung eines Epihalogenhydrins, wie Epichlorhydrin, mit dem harzartigen Kondensats eines Aldehyds, zum Beispiel Formaldehyd, mit entweder einem Monohydroxyphenol, wie zum Beispiel Phenol selbst, oder einem Polyhydroxyphenol vorzugsweise in Gegenwart eines basischen Katalysators, wie zum Beispiel Natrium- oder Kaliumhydroxid, erhalten werden. Weitere Einzelheiten über die Eigenschaften und die Herstellung dieser Epoxid-Novolak-Harze können aus H.Lee und K. Neville., Handbook of Epoxy Resins, McGraw Hill Book Co., New York, 1967 entnommen werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch andere Polyepoxid-Zusammensetzungen eingesetzt werden. Die oben beschriebenen Polyepoxide sind lediglich als Beispiele für die gesamte Gruppe der Polyepoxide angeführt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein neuer Härter und ggf. ein Beschleuniger eingesetzt. Der erfindungsgemäße Härter ist eine Verbindung der allgemeinen Formel

HOANHCH₂CH₂OCH₂CH₂Nh₂,

worin A eine Alkylgruppe mit 2, 3 oder A Kohlenstoffatomen darstellt. In dem weiter unten angeführten Beispiel ist die Herstellung einer Verbindung beschrieben, worin A ein Alkyl mit 2 Kohlenstoffatomen ist. Die Verbindungen mit A = Alkyl mit 3 oder 4 Kohlenstoff-

atomen können entsprechend hergestellt werden. Die Synthese dieser Härter ist in den US-Patentschriften 3 420 828 und 4 338 408 im Detail beschrieben.

Die Reaktion zur Herstellung dieser Verbindungen verläuft wie folgt: Bis(aminoethyi)äther der allgemeinen Formel H₂NCH₂CH₂OCH₂Ch₂NH₂ wird mit einem Alkylenoxid der allgemeinen Formel OCH₂CHR, worin R Wasserstoff oder eine niedere Alkylgruppe bedeutet, oder Mischungen solcher Alkylenoxide zur Herstellung der gewünschten Verbindung bei erhöhter Temperatur umgesetzt.

Die Alkoxylierung wird vorzugsweise in einem Temperaturbereich von etwa 5O⁰C bis 150 C durchgeführt. Der Härter kann aus dem Reaktionsgemisch durch Destillation abgetrennt werden. Als Ausgangsmaterialien für diese Umsetzung werden ausschließlich die Bis(aminoethyl)äther, Alkylenoxid oder Mischungen von Alkylenoxiden eingesetzt.

Der erfindungsgemäße Härter ist eine Verbindung der allgemeinen Formel

HOANHCH₂CH₂OCH₂Ch₂NH₂,

worin A eine Alkylgruppe mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen ist. A kann eine Ethyl- Propyl- oder Butyl-Gruppe sein, und als Härter kann auch ein Gemisch von solchen Verbindungen eingesetzt werden. Der Härter härtet schnell aus, und die gehärteten Polyepoxidharze besitzen hervorragende Eigenschaften hinsichtlich Biegefestigkeit, Schlagzähigkeit und Klebefähigkeit, wie in dem weiter

2Q unten angeführten Beispiel gezeigt wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Härter und ggf. in Vermischung damit ein Beschleuniger in der Form einer mit dem Epoxid-Basisharz verg₅ träglichen Lösung vorgelegt. Das Basisharz wird hinzu-

gegeben und die Komponenten durch Mischen in innigen Kontakt gebracht, bis ein homogenes Gemisch erhalten ist.

Der Härter wird in der Regel zu der Formulierung in einer solchen Menge hinzugegeben, daß ein reaktives Wasserstoffatom im Härter für eine Epoxidgruppe in der Epoxidharz-Komponente zur Verfügung steht. Es handelt sich somit um stöchiometrische Mengen. Die erforderliche Menge kann aus der Kenntnis der chemischen Struktur und den Analysendaten der Epoxidharz-Komponente berechnet werden. Allerding sind leider stöchiometrische Mengen nicht immer berechenbar. Für Systeme wie im vorliegenden Falle ist die geeignete Menge an Härter jene, welche erforderlich ist, um Polyepoxidharze mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen. Diese Menge wird in der Regel experimentell nach an sich bekannten Routineverfahren bestimmt. Im allgemeinen beträgt die Zahl der Äquivalente der reaktiven Härtergruppen etwa das 0,8 bis 1,2-fache der Zahl der Epoxidäquivalente in der zu härtenden Epoxidharz-Komposition, wobei das 0,9 bis 1,0-fache entsprechend der stöchiometrischen Menge bevorzugt wird. Wie bereits oben gesagt ist die eingesetzte Menge der Komponenten in erster Linie abhängig von der Anwendung, für welche das gehärtete Epoxidharz einzusetzen ist.

Für zahlreiche Anwendungen wird die Härtung bei Umgebungstemperaturen durchgeführt. Zur Herausbildung von optimalen Eigenschaften jedoch ist es erforderlich, 3Q die Härtung bei erhöhter Temperatur durchzuführen. Die Härtungstemperatur liegt im Bereich von etwa 120 bis 180⁰C für eine Zeitdauer von 1 bis 3 Stunden. Vorzugsweise wird bei etwa 125°C 1 bis 2 Stunden gehärtet.

Gegebenenfalls kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in Gegenwart eines Beschleunigers durchgeführt werden, um das Epoxidharz noch schneller zu härten. In einigen Anwendungen ist der Einsatz eines Beschleunigers vorteilhaft, insbesondere dann, wenn ein Epoxidharz als Kleber in einer entflammbaren . Umgebung eingesetzt wird, wo die Härtung bei erhöhter Temperatur für längere Zeit nicht geeignet oder sogar gefährlich ist. H.Lee und K.Neville, Handbook of Epoxy Resins, Seiten 7-14, beschreiben die Anwendung von bestimmten Amin enthaltenden Verbindungen als Beschleuniger.

Es sind zahlreiche Beschleuniger bekannt, welche in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können. Es sind dies zum Beispiel Salze von Phenolen, Sa- ° licilsäuren, Aminsalze von Fettsäuren wie sie in der US-PS 2 681 901 offenbart sind, und tertiäre Amine wie sie in der US-PS 2 839 480 offenbart sind. Ein bevorzugter Beschleuniger ist in der US-PS 3 875 072 offenbart. Dieser Beschleuniger besteht aus einer Kombina- ^O tion von Piperazin und einem Alkanolamin in einem Gewichtsverhältnis von etwa 1:8 zu 1:1.

Beschleuniger und Härter werden in einem Verhältnis von etwa 10 bis 50 Gewichtsteilen Beschleuniger zu

100 Gewichtsteilen Polyoxyalkylendiamin-Härter vermischt. 25

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung.

Beispiel 1-A

Herstellung von 2-(2-Aminoethoxy-2-ethylaraino)ethanol

Ein Nebenprodukt-Strom aus der Herstellung von Morpholin und 2-(2-Aminoethoxy)ethanol, welcher hauptsächlieh Methoxyethylmorpholin, Bis(aminoethyl)äther und Aminoethylmorpholin enthält, wurde mit Ethylenoxid umgesetzt und der Hydroxyethyi-bis(aminoethyl)äther isoliert .

In ein Reaktionsgefäß mit 18,9 1 Inhalt wurden 7,893 kg des Nebenprodukt-Stroms gegeben. Nach Erhitzung auf 8O⁰C wurden 0,953 kg Ethylenoxid zugegeben. Die Reaktionskomponenten wurden sodann bei 90 C eine Stunde belassen. Anschließend wurde das Reaktionsgemisch bei k b

k *,bnr _o

.. · ---Vakuum und 125 C abgestreift. Hierdurch wurden 15

5,951 kg nichtumgesetztes Material entfernt. Das 2-(2-Aminoethoxy-2-ethylamino)ethanol wurde sodann isoliert durch Passieren des Qemisches durch einen mit Vertei-

ynhtxe

lerbürsten versehenen Destillierapparat bei 0,13-Vakuum und 180⁰C.

Gaschromatografische Analyse des Nebenprodukt-Stroms

	Fläche %
Wasser	6,0
Morpholin	1,4
Methoxyethylmorpholin	19,0
Bis(aminoethyl)äther	66,9
Aminoethylmorpholin	A,7
Piperazin/Monoethanolamin	1,6

Beispiel 1-B

Eigenschaften von Epoxidharz, gehärtet mit 2-(2-Amino-

ethoxy-2-ethylamino)ethanol

Formulierung 5417-20A

Epoxidharz 188⁽¹⁾ ' 100

2-(Aminoethoxy-2-ethylamino)ethanol 24

Brookfield Viskosität _f ^m«§-'J 25°C 2A00

Gelierzeit, min (200 g Menge) 23,3

Maximale Erwärmung, ⁰C " 184,6

Zeit bis zur maximalen Erwärmung, min 31,5

(2)

Eigenschaften des gehärteten 3,175 mm Gießlings

Schlagzähigkeit nach Izod, ft lbs/in. 1,4

Zugfestigkeit, bar 648

Spannungsmodul, bar 29992

Bruchdehnung, % 4,1

Biegefestigkeit, bar 1089

Biegemodul, bar 31577

Formbeständigkeit, 18,20 bar/4,55 bar, ⁰C 60/65

Shore-D-Härte, 0-10s 90-89

^ 'Flüssiger Diglycidyläther von Bisphenol A mit

einem Epoxidäquivalentgewicht von 188 ⁽²⁾gehärtet 2 h bei 80⁰C, 3 h bei 125°C

ΛΚ,

Beispiel 1-C

Temperaturschock-Eigenschaften von Epoxidharz, gehärtet mit 2-(Aminoethoxy-2~ethylamino)ethanol

Formulierung

Epoxidharz M.

2-(2-Aminoethoxy-2-ethylamino)ethanol 24 Gew.teile

Epoxidharz 188 * 100 Gew.teile

Zahl der Proben, gecrackt während des Versuchs Nr. 1234.5,(5289.K) Gesamt 0000000000 0

Temperaturführung: Ofen bei HO⁰C (30 min), Bad bei -20⁰C (15 min), Raumtemperatur (15 min). Prüfung auf Beschädigung und, falls unversehrt, zurück zum Ofen, u.s.w.

Die Proben waren 50 g Einkapselungen von Scheiben aus gewöhnlichem Stahl (25,4 mm χ 9,5 mm χ 0,16 mm) auf Filterpapier-Ringen (6,4 mm), geschnitten aus Whatman 19 χ 19 mm Cellulose-Extraktionshülsen. Die Einkapselungen waren in Aluminium-Evaporationsschalen (Milchtest, 5 cm im Durchmesser , 1 cm tief) hergestellt worden.

j

^v 'Flüssiger Diglycidyläther von Bisphenol A mit einem Epoxidäquivalentgewicht von 188

Beispiel 2 TABELLE II -

Analyse von Produkten der Umsetzung von Bis(aminoethyDäther (BAEE) und Ethylenoxid (EO) mit verschiedenen Molgewichtsverhältnissen

Versuch-Nr.	2/1	16,6	2/2	2/3	2/4	2/5
Molverhältnis BAEE/EO	1/1	-	3/1	5/1	7/1	9/1
Gesamt-Amin, mäq/g	13,3	1,0	16,4	17,3	17,5	17,8
tertiäres Amin, mäq/g	1,5	0,9	0,48	0,66	0,43	0,32
sekundäres Amin, mäq/g	4,17	-	3,7	1,5	1,18	1,42
primäres Amin, mäq/g	7,63	38,2	12,18	15,18	15,89	16,06
Hydroxylzahl	1103	34,3	1124	1122	1151	1158
Gaschromatografische Analyse
(Fläche %)	7,3
Bis(aminoethyl)äther	48,4	61,7	68,9	72,9
Aminoethylmorpholin	-	-	-	-
Unbekannt	0,8	-	-	-
Unbekannt	1,9	2,3	2,4	2,5
Methoxyethylmorpholin	0,6	1,6	1,6	1,7
Hydroxyethyl-BAEE	37,0	28,5	23,7	20,1
Bis(hydroxyethyl)-	9,4	4,3	0,6	0,8
BAEE gesamt
Unbekannte	_	_	—	—

Epoxyäquivalentgewicht 47,7 34,96 30,7 29,97 29,6

TABELLE II -

Eigenschaften von mit Hydroxyethyl-BAEE gehärteten Epoxidharz-Proben

Formulierung E

EPON ® 828 ⁽4 > Hydroxyethyl-BAEE'¹⁾ Molverhältnis BAEE/EO

9/1 Versuch Nr. 2/5 16

7/1 Versuch Nr. 2/4 -

5/1 Versuch Nr. 2/3 -

3/1 Versuch Mr. 2/2 -

3/1 Versuch Nr. 2/1 -

Brookfield Viskosität, cP, 25⁰C

D 100 C
100

B 100

16

Gelierzeit, min 25,4 (200 g Menge)

Maximale Erwärmung,⁰C 262,0

Zeit bis zur maximalen 30,0 Erwärmung, min

20 Eigenschaften des gehärteten 3,175 mm Gießlings

(2)

Schlagzähigkeit nach 0,13 0,19 Izod, ft lbs/in.

Zugfestigkeit, bar Spannungsmodul, bar Bruchdehnung, %
Biegefestigkeit,bar Biegemodul, bar

Formbeständigkeit, C 18,20 bar/4,55 bar

Shore-D-Härte, 0-10 s 77-75 78-75

(3) Eigenschaften als Kleber 0,19

0,22

A 100

-	-	-	26
600	600	750	1400
25,8	25,6	23,4	18,5
256,2	254,8	252,5	229,7
29,0	28,0	26,5	20,5

0,23

638	531	634	607	607
23924	24131	26130	25924	28337
7,6	7,4	8,8	6,2	5,0
979	1007	1014	986	955
25923	25372	26441	26131	28337
93/97,6	94/97,5	89/95	87/91,5	66,5/69

78-75 76-74 79-75

Zug/Scher-Festigkeit, bar

186

2,3 214

2,2

224

2,9

Schälfestigkeit, pli 2,3

(1)

;,Analysedaten siehe Tabelle II-1

^ gehärtet 2 h bei 8O⁰C, 3 h bei 125⁰C

4 gehärtet 1 h bei 125⁰C

Diglycidyläther von Bisphenol A, Flüssigharz, Epoxid-Äquivalentgewicht 185 - 190, Shell Chem. Co.

283 3,8

<6

TABELLE II -

Eigenschaften von mit Hydroxypropyl-bis(aminoethyl)-äther gehärteten Epoxidharzen

!JX^cujunaj. ucii ucj feciia: l.ci^cu J, ι \j turn mcaiius;'

Biegefestigkeit, bar 1101

Formulierung	3,1	75 mm	8	5705-71	%
EPON ® 828			,5	100
Hydroxypropyl-BAEE'1'			,2	34
Eigenschaften des gehärteten	,55	bar	,5	Gießlings
Biegefestigkeit, bar			1101
Biegemodul, bar			30985
Formbeständigkeit, °C, 18,2/4			60/62
Shore-D-Härte			78-75
(1 * Analyse: mäq/g. Gesamt-Amin 11,4
tertiäres Amin 1,04	Gaschromatografische Analyse
primäres Amin 4,73		Fläche
Gesamt-Acetylierbare 17,98	Bis(aminoethyl)äther	2,
	Bis(aminoethyl)äther-1- propylenoxid-Addukt	68
	Bis(aminoethyl)äther-2- propylenoxid-Addukt	11
	Unbekannte (8 Peaks)	17

⁽²⁾ Gehärtet 2 h bei 8O⁰C, 3 h bei 125°C 30

Liste der Testverfahren

Zug/Scher-Festigkeit ,in psi, umgerechnet in bar ASTM Standard Test Methode D-1002

Schälfestigkeit , in pli ASTM Standard Test Methode D-1876

Schlagzähigkeit nach Izod , in ft-lb/in ASTM Test D-256

Zugfestigkeit , in psi, umgerechnet in bar ASTM Test D-638

Spannungsmodul , in psi, umgerechnet in bar ASTM Test D-638

Bruchdehnung , % ASTM Test D-638

Biegefestigkeit , in psi, umgerechnet in bar ASTM Test D-750

Biegemodul , in psi, umgerechnet in bar ASTM Test D-790

Formbeständigkeit ,⁰C, 18,20 bar/4,55 bar

ASTM Test D-648 (264 psi, 66 psi)

Shore-D-Härte , 0-10 s ASTM Test D-2240

Gelierzeit (Gardco Gel Timer; Paul N. Gardner Co.)

Claims (2)

Müller, Schupfner & Gauger Texaco Development Corp. Patentanwälte T-009 84 DE S/H (D 75,990) Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von gehärteten Epoxidharzen durch Umsetzung eines Polyepoxides mit einem Härter und gegebenenfalls einem Beschleuniger, dadurch gekennzeichnet, daß man als Härter eine Verbindung der allgemeinen Formel

HOANHCH₂CH₂OCH₂CH₂Nh₂

einsetzt, worin A eine Alkylgruppe mit zwei bis 15

vier Kohlenstoffatomen ist.

2. Härter für Epoxidharze zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Härtersystem aus einer Verbindung der allgemeinen Formel

HOANHCH₂CH₂OCH₂CH₂Nh₂

mit A gleich Alkyl mit zwei bis vier Kohlenstoff-25

atomen besteht.